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1生物脫氮新理論與技術

1.1短程硝化反硝化理論與工藝

相對于傳統的硝化反硝化脫氮理論只有NO3－為反硝化過程的電子受體，短程硝化反硝化利用NO2－作為反硝化過程的電子受體，整個生物脫氮過程可以通過NH4＋-N—NO2－-N—N2的途徑完成。短程硝化反硝化反應步驟得到簡化，不僅可以降低運行費用或在污水中碳源不足的情況下能獲得較高的脫氮效率，減少污泥產量，還可以大大減少基建費［5］。目前所有分離的亞硝化細菌都歸入β-Proteobacteria綱或γ-Proteobacteria綱。所有分離的硝化細菌都歸于α-Proteobacteria綱，γ-Proteobacteria綱，δ-Proteobac－teria綱或Nitrospira門，除了γ-Proteobacteria綱中Ni－trosococcus與Nitrococcus的少數菌株具有相對較近的親緣關系外，從進化譜系上看，亞硝化細菌和硝化細菌之間的親緣關系并不密切，它們完全可以獨立存在于處理系統中［6］。具體代表性的短程硝化反硝化工藝為SHARON工藝，它是利用在高溫下（30~36℃）亞硝酸菌的最小泥齡小于硝酸菌最小泥齡的特性，將硝酸菌淘汰，維持了亞硝酸鹽的積累，從而將氨的氧化控制在NO2－階段，然后進行反硝化。溫度、DO和pH值及游離氨（FA）是實現短程硝化的關鍵控制因素［4］。

1.2厭氧氨氧化理論與工藝

在厭氧條件下，以亞硝酸鹽、硝酸鹽作為電子受體，將氨轉化為氣態氮的這一過程稱之為厭氧氨氧化。由于厭氧氨氧化細菌生長非常緩慢，代增時間長達11~20d，現有的微生物分離技術很難獲得它的純系菌株。目前多是通過反應器長時間富集培養，獲得比例較高的菌株混合物。現在在不同的反應器和環境中發現的厭氧氨氧化細菌共有5個屬，9個種［7］，均屬于浮霉狀菌（Planctomycetales），其中CandidatusKueneniastuttgartiensis的全基因組測序工作也已完成［8］。但Hu等發現了一株門多薩假單胞菌屬的細菌也具有一定的厭氧氨氧化活性［9］，這表明除浮霉狀菌外，還有其他厭氧氨氧化細菌屬存在。基于厭氧氨氧化原理開發的工藝有OLAND工藝，SHARON-ANAMMOX工藝，CANON工藝。OLAND工藝由比利時Gent大學微生物生態實驗室開發研制，Wyffels等成功利用OLAND工藝處理污泥消化液［10］，另外，Windey等的研究結果表明，OLAND工藝處理高鹽廢水也具有一定的可行性［11］。SHARON-ANAM-MOX工藝是荷蘭Delft大學開發的一種新型脫氮工藝，與傳統的硝化反硝化過程相比，SHARON-ANAM-MOX耗氧量節約50％，同時減少CO2的排放，無需有機物，不產生剩余污泥，節省占地，具有良好的應用前景［12］。目前，該工藝已成功應用于工程實際，如荷蘭鹿特丹的Dokhaven廢水處理廠。CANON工藝是荷蘭Delft大學在SHARON-ANAMMOX基礎上發展起來的一種全新的工藝，目前在國外該工藝已成功應用于處理垃圾滲濾液的高濃度氨氮。

1.3同步硝化反硝化理論與工藝

同步硝化反硝化技術指的是硝化和反硝化過程在同一個反應器中同時發生，系統不需要明顯的缺氧時間段或缺氧分區而能將總氮脫除的技術。目前已知的好氧反硝化現象僅存在細菌中，多見于假單胞菌屬（Pseudomonas）、產堿桿菌屬（Alcaligenes）、副球菌屬（Paracoccus）和芽孢桿菌屬（Bacillus）中［13］。這類能在有氧條件下進行反硝化作用的微生物的發現為同步硝化反硝化理論提供了有力證據。利用固定化微生物技術進行同步硝化反硝化已有工程實踐，如屈佳玉用包埋有硝化細菌的微生物載體投入某生活污水廠的好氧池中［14］，結果表明在添加硝化細菌載體的工程，氨氮去除率達到90%以上，明顯高于不添加的處理效果。在實際工程運用中，硝化細菌載體的投加較方便、抗沖擊負荷能力較強，運行管理方便，成本較低，處理效果好，具有良好的應用前景。

2生物除磷新理論和新技術

2.1反硝化除磷機理

硝化除磷的機理和傳統的厭氧—好氧除磷的機理極為相似，其優勢菌種為反硝化除磷菌（DPAO），該類微生物能夠利用O2或NO3-作為電子受體進行吸磷，并以聚合磷酸鹽的形式儲存在細胞內，同時NO3-被還原為N2。這樣在厭氧—缺氧交替運行的條件下，通過DPAO的新陳代謝活動即可實現同步的反硝化和除磷的效果。反硝化除磷機理的研究，主要是圍繞反硝化聚磷菌的微生物行為特征和種類。Hu認為大部分聚磷菌都能以NO3－，NO2－，O2作為電子受體［15］，超過聚磷菌總數量的50％，因此可以充分利用這些細菌進行反硝化除磷。焦中志分離出15株菌［16］，分別屬于腸桿菌科、假單胞菌屬、氣單胞菌屬、弧菌科、微球菌屬、鏈球菌屬和產堿菌屬。周康群認為假單胞菌屬的聚磷作用很強［17］，利用硝酸鹽較徹底，腸桿菌科聚磷作用次之，副球菌聚磷作用最弱，腸桿菌科和副球菌聚磷過程中硝酸鹽利用不完全。

2.2反硝化除磷脫氮工藝

2.2.1BCFS工藝

BCFS工藝是在UCT工藝基礎之上增加了2個反應池。由厭氧池、接觸池、缺氧池、混合池及好氧池這5個功能相對專一的反應器組成。通過反應器之間的3個循環來實現反應器內DPB富集和氮、磷的最佳去除。BCFS工藝的主要特點有［18］：對氮、磷的去除率高；抑制污泥膨脹；控制簡單，通過氧化還原電位與溶解氧可有效地實現反應器穩定的運行；充分利用DPB倍增時間長的特點，污泥量減少10％左右；利用DPB實現生物除磷，使碳源能被有效地利用，使該工藝在COD（/N+P）值相對低的情況下仍能保持良好的運行狀態。

2.2.2Dephanox工藝

Dephanox工藝在厭氧池和缺氧池之間增加了沉淀池和固定膜反應池。污水在厭氧池中釋磷，在沉淀池中進行泥水分離，含氨較多的上清液進入固定膜反應池進行硝化，污泥則跨越固定膜反應池進入缺氧段，完成反硝化除磷。該工藝具有能耗低、污泥產量低且COD消耗量低的特點，但該工藝中磷的去除效果很大程度上取決于缺氧段硝酸鹽的濃度，當缺氧段硝酸鹽不充足時，磷的過量攝取受到限制，反之硝酸鹽又會隨回流污泥進入厭氧段，干擾磷的釋放和聚磷菌體的PHB的合成。

3研究展望

在生物脫氮方面，我國對生物脫氮微生物學機制的研究較少，尤其是對生物脫氮限速步驟硝化作用的研究還停留在菌種的分離、純化和生理生化特性的研究，很少涉及分子生物學方面的研究，因此與國外研究水平的差距還很大。為此，需要加強以下幾個方面的研究：（1）高效硝化細菌的分離和篩選，特別是耐受高濃度氨氮和對極低濃度氨氮具有高效親和力菌株的分離篩選，以及低溫或高溫下高效硝化菌株的分離篩選。（2）開展特殊脫氮微生物（如異養硝化菌、好氧反硝化菌）分離篩選及應用和生理生化條件與機制、酶學機理等研究，具有重要的意義。（3）開展硝化作用微生物的分子生態學和分子生物學方面的研究。在生物除磷方面，應加強不同水質條件下的優勢聚磷菌（PAOs）和聚糖菌（GAOs）種群結構及其生態位關系解析，進一步研究可能影響PAOs和GAOs競爭的各種環境因素及其作用規律，促進EBPR系統中PAOs的優勢生長。另外，充分利用現代分析檢測技術深入研究除磷微生物的生物化學代謝機制，闡明生物除磷（EBPR）機制，推動EBPR的不斷發展。

作者：康樂單位：廣東聯泰環保股份有限公司